灞河富水砂層條件下盾構選型及下穿施工關鍵技術研究

張英智，韋曉霞，趙永軍，劉鋒濤，沈富英，王曉軍，畢肖鋒，阮雷

（中建絲路建設投資有限公司，西安 710075）

1 引言

隨著城市地鐵建設進程的推進，各地新建地鐵已由城市中心逐漸向偏遠郊區甚至城際區域延伸，盾構法施工將不可避免地面臨下穿既有河流、湖泊等富水砂性地層等復雜環境。楊永強等[1-3]針對全斷面砂層掘進磨損嚴重、沉降難控制等問題，通過理論實踐相結合，提出采用膨潤土泥漿配合泡沫進行沉降控制；馮曉九[4]提出洞門接口管片采用剛度大的鑄鐵環時，沉降控制效果進一步提高。本文對盾構選型、盾構機改造等方面展開研究，并針對土壓平衡盾構穿越灞河過程中存在的螺旋機噴涌、盾構管片滲漏水及盾尾漏水漏漿等問題進行分析總結并提出有效控制措施，研究成果可為相似地層盾構施工提供參考。

2 工程概況

2.1 工程簡介

盾構區間全長2 319 m，在距區間起點約550 m 設置1 處始發井。盾構機由始發井下井始發，掘進約600 m 后下穿灞河河床及河漫灘，下穿段約660 m。下穿河床段平曲線半徑R=650 m，隧頂覆土深度16.2～18.8 m，下穿段呈5.191‰單向上坡，盾構區間走向如圖1 所示。區間襯砌采用預制鋼筋混凝土管片，外徑6 m，內徑5.4 m，厚0.3 m，環寬1.5 m。

圖1 盾構區間走向示意圖

2.2 工程及水文地質

區間下穿灞河段上覆地層分別為黃土狀土、圓礫、中砂、砂礫、粉質黏土；下部地層主要為中砂及粉質黏土。洞身范圍以中砂、粉砂地層為主，并伴有粉質黏土，土質較松散，區間下穿段地質斷面如圖2 所示。灞河水面高程為368.55 m，灞河水深為2.0～3.1 m。下穿段地下水流速V 平均值為0.394 m/d，綜合滲透系數為30 m/d。

圖2 區間下穿灞河段地質縱斷面圖

3 盾構選型及改造

考慮到富水砂層的地層特殊性，及盾構長距離下穿灞河可靠性的施工需求，盾構選型就顯得十分重要。

3.1 盾構類型比選

1）滲透系數：當地層滲透系數小于10-7m/s 時，宜選用土壓平衡盾構；當滲透系數大于10-4m/s 時，宜選用泥水平衡盾構；而當滲透系數介于二者之間時，2 種盾構均可適用。根據下穿段地勘資料顯示，地層綜合滲透系數為3.47×10-4m/s，因此，宜選用泥水平衡盾構。

2）地層顆粒級配：土壓平衡盾構適用于粉土、砂土、粉質黏土、粉砂等黏粒含量較高的地層；泥水平衡盾構適用于粗顆粒地層，如卵石、礫石層、滯水細砂層，特別是在滲透系數大且水頭高的江河中優勢明顯。本工程盾構下穿段不同斷面中砂含量在64%～92%，因此，宜選用泥水平衡盾構。

3）地下水壓：根據國內外施工經驗，當開挖面水壓大于0.3 MPa 時，土壓平衡盾構螺旋機難以形成有效土塞，極易造成渣土噴涌，此時宜采用泥水平衡盾構。本工程盾構下穿段開挖面水頭范圍為18～21 m，水壓小于0.3 MPa，因此，宜選用土壓平衡盾構。

4）施工效率：泥水平衡盾構因其結構特點出土效率相對較低。而土壓平衡盾構連續出渣效率高，且渣土無須處理可直接外運，掘進速度快。由于本工程對工期要求高，從施工效率來看，宜采用土壓平衡盾構。

5）施工場地：泥水平衡盾構需布置泥水處理系統及廢漿棄置場地，需要的場地面積大，而土壓平衡相比較而言可節約近1/3 的場地面積。由于本工程始發井地處北辰村，周邊建筑密布，場地條件極為有限，因此，宜采用對場地條件要求小的土壓平衡盾構。

6）綜合對比分析：盡管從滲透系數及顆粒級配角度，適合選用泥水平衡盾構，但考慮到土壓平衡盾構可以通過渣土改良及優化掘進參數等措施保證安全施工，同時，從施工效率、場地條件來看更適合采用土壓平衡盾構。因此，經過一系列比選及專家論證，最終選用土壓平衡盾構進行下穿灞河施工。

3.2 盾構機改造

3.2.1 刀盤改造

根據盾構機適應性、可靠性評估專家咨詢意見，重新設計開口率為50%的軟土刀盤，開口在整個盤面均勻分布，中心部位設有面積足夠的開口，利于土壓傳遞及保持土壓平衡。刀盤結構采用6 主梁+6 副梁的輻條式結構設計，刀盤配置4 個泡沫口，2 個膨潤土口（與泡沫口共用）。

3.2.2 刀具配置

考慮盾構區間長距離富水中砂層中含有圓礫，為增強刀具耐磨性及抗沖擊性，對撕裂刀進行了改良，改良刀具如圖3所示。

圖3 改型撕裂刀圖

具體改良措施：（1）采用鈍角大合金塊形式保證刀具在地層中圓礫撞擊時充分的耐撞擊能力；（2）中間采用小角度尖頂形式，保證刀具合金與掌子面具有較大的接觸面，保證刀具的耐磨性；（3）厚度由60 mm 增加至80 mm，拓寬撕裂刀開挖軌跡，加強對下層刀具的保護；（4）將合金高度增加10 mm，延長刀具的可磨損時間。

4 下穿施工關鍵技術研究

盾構區間單次掘進最長約1.4 km，穿越地層以中砂層為主，隧道覆土厚度大、與灞河水力聯系較強，地層滲透性強，盾尾密封失效的風險高，且土壓建立較困難，易發生噴涌及管片滲漏水等問題。

4.1 盾構螺旋機噴涌防治

針對下穿中出現的噴涌問題，施工中采取以下措施：（1）渣土改良劑中泡沫注入率提升至15%、泡沫原液比例為4.5%，膨潤土泥漿采用膨潤土∶水=1∶9，并膨化12 h，黏度控制在40 s；（2）盾構掘進中土倉壓力、刀盤扭矩、刀盤推力平均值分別增加至0.168 MPa、2 680 kN·m、16 470 kN，同時，掘進速度減少至53 mm/min；（3）對灞河河水進行泄水，降低開挖面水頭；（4）每5 環施作雙液漿止水環；（5）停機保壓。

4.2 盾尾漏水漏漿防治

下穿灞河掘進初期，盾尾出現漏水漏漿現象，對施工進度造成一定影響，主要原因在于：（1）手涂油脂局部可能存在不飽滿現象，尾刷磨損后形成滲漏通道；（2）下穿段姿態糾偏不及時，造成盾尾間隙偏小，尾刷磨損偏大；（3）掘進過程中，盾尾清理不及時導致盾尾夾渣較多，對盾尾磨損較大。

針對盾尾出現漏水漏漿問題，采取以下措施：（1）在盾尾漏水漏漿處塞入涂滿盾尾油脂的鋼絲球和海綿條；（2）換用黏性和纖維含量更高的油脂（不易被水沖散或擠出油脂腔），增加油脂注入量；（3）減少同步注漿量，每環2～3 m3，盾尾后方跟蹤注雙液漿，做止水環。

4.3 下穿段部分區域管片滲水防治

下穿灞河段隧道局部管片接縫及注漿孔存在連續滲漏水現象。通過施工過程中的分析總結，主要是人為因素造成的滲漏水。具體原因在于：（1）管片吊裝過程中，止水條與吊帶接觸位置出現受力脫膠現象，拼裝后接縫出現滲水現象；（2）管片拼裝后，單組推進油缸撐靴扭轉未及時扶正，止水條受力脫膠；（3）管片拼裝機工作幅度過大，環內管片定位時出現碰撞、摩擦等造成止水條脫膠；（4）個別螺孔密封圈使用前受潮，拼裝后與螺栓孔口貼合度不好，形成滲水通道；（5）拼裝前管片未沖洗干凈，導致拼裝時止水條間存在夾渣現象，形成滲水通道。

針對后續管片拼裝質量管控措施方面，采取以下措施：（1）嚴格控制止水條粘貼質量，地面管片止水條的粘貼由地面值班工程師進行自檢驗收合格后，聯合監理再次進行驗收；（2）對止水條粘貼、注漿、管片拼裝等相關作業人員進行專項交底，確保各施工嚴格按照交底內容執行；（3）采用密封袋包裝螺孔密封圈，確保螺孔密封圈使用前未被浸水。

5 結語

通過對西安地鐵14 號線盾構下穿灞河富水砂層盾構選型、刀盤刀具改造及施工中遇到的問題進行探討總結，結論如下：

1）從地層滲透系數及顆粒級配方面評價，土壓平衡盾構并不適合于灞河富水砂層下穿施工，但施工過程中可通過渣土改良及動態調整優化盾構參數，以保證盾構安全下穿施工。

2）為應對連續長距離穿越富水砂層，刀盤采用開口率為50%的軟土刀盤，利于土壓傳遞及保持土壓平衡，同時，刀盤加強了耐磨設計；刀具配置方面，對撕裂刀進行了改良以增強刀具耐磨性及抗沖擊性。

3）在土壓平衡盾構噴涌控制中，采用泡沫劑+鈉基膨潤土等常規材料進行渣土改良是可行的，但應重視盾構掘進參數優化、降低開挖面水頭、盾尾水流通路封堵及停機保壓等輔助措施。

4）在盾構下穿富水砂層準備工作中，應特別重視盾尾密封質量，保證手涂油脂的飽滿；下穿過程中重視盾構姿態及盾尾的及時清理。同時，在管片拼裝中，要重視止水膠條粘貼、管片拼裝質量，盡量減少拼裝不合格而引發的滲漏水。